113 高普考高考三級 機械工程 機械製造學 考古題詳解

核心觀念

本題考查塑膠依受熱後的行為，區分為熱塑性塑膠與熱固性塑膠，並說明 PMMA 的光學性質，以及環氧樹脂用於 IC 封裝的材料特性。

• 熱塑性塑膠（Thermoplastic）：加熱後軟化或熔融，冷卻後硬化；此過程可反覆進行，材料主要由線形或支鏈分子構成。
• 熱固性塑膠（Thermoset）：經加熱或化學反應固化後，分子間形成三維交聯網狀結構；固化後不能再熔融重塑，再加熱通常會分解或碳化。

解題方法

先依各材料的一般分子結構與成形特性分類，再以「光線是否容易穿透、成形後能否保持光學品質」說明 PMMA 的鏡片用途；最後從「電氣絕緣、保護晶片及封裝可靠性」說明環氧樹脂的 IC 封裝用途。

塑膠分類

PMMA 適合製作光學鏡片的原因

核心觀念

本題考查金屬壓鑄與塑膠射出成形的共同點與差異。兩者都是將可流動的材料在壓力下充填模穴，再經冷卻或凝固取得製品；主要差異在於材料狀態、加壓方式、機台構造及模具溫度。

• 金屬壓鑄（Die casting）：將熔融金屬以高壓、高速射入金屬模具，待金屬凝固後開模取件。
• 塑膠射出成形（Injection molding）：塑膠粒在料管中受熱熔融，由螺桿塑化、計量並射入模具，經保壓及冷卻固化後開模取件。

解題方法

依序比較兩種製程的「材料如何進入機台」、「如何被加壓射入模穴」、「模具如何控制溫度」，再補上共通的合模、充填、保壓、冷卻凝固及開模取件循環。作答時須特別區分：壓鑄機的射出機構處理熔融金屬；射出成形機則由料管中的螺桿兼具塑化、計量與射出功能。

製程原理與作法

金屬壓鑄

壓鑄時，先將金屬熔化，再將定量熔湯送入壓鑄機的壓射室。模具合模後，壓射機構迅速推動壓射沖頭，使熔湯以高速度、高壓力通過澆道並充滿模穴。金屬在模具內冷卻凝固後，機台開模，由頂出機構將鑄件推出；之後修除澆口、溢流及飛邊等部分。

壓鑄能快速製造形狀複雜、尺寸精度較高、表面品質良好的金屬件，常用於鋁合金、鋅合金及鎂合金等低熔點合金。模具通常須承受高溫熔湯的熱衝擊及反覆循環。

高分子塑膠射出成形

射出成形時，塑膠粒由料斗進入加熱料管。螺桿旋轉並向後退，在輸送塑料的同時，利用料管加熱與剪切作用使塑料熔融、均化，並在螺桿前端累積定量熔膠。模具合模後，螺桿向前移動，將熔膠射入模穴；射出後持續施加保壓，以補償冷卻收縮。待塑料冷卻固化後，模具開啟，由頂出機構取出製品。

射出成形的塑化、計量及射出通常由同一螺桿系統依序完成；各種熱塑性塑膠皆可依材料特性設定料管及模具溫度。

機台運作與模具比較

核心觀念

雷射銲接是利用高能量密度雷射束聚焦於接合處，使材料快速熔化並在冷卻後形成銲道的熔融銲接法。雷射束具有方向性佳、聚焦光點小、能量密度高等特性，因此可集中加熱局部區域，減少熱影響範圍，並適合自動化及高速銲接。

依能量密度與作用方式，雷射銲接主要分為：

• 熱傳導銲接：雷射能量使材料表層熔化，熱量再向材料內部傳導，形成較淺、較寬的熔池。
• 深熔銲接：高能量密度使材料局部汽化，形成狹長的蒸氣孔（keyhole）；雷射能量沿蒸氣孔深處作用，形成深而窄的銲道。

解題方法

作答時依序說明「能量如何形成銲道」、「鈑金件如何定位與施銲」、「適用優點及製程限制」，即可完整回應題目。

銲接原理與作法

雷射器產生雷射束後，經光學系統聚焦於工件接合線。工件吸收雷射能量後形成熔池，銲接頭沿接合線移動，使熔池連續熔化；雷射束離開後，熔融金屬凝固而形成銲道。實際施銲時可搭配保護氣體，以減少氧化及熔池污染；依接頭設計與強度需求，可採自熔銲接，或加入銲料。

應用於鈑金件的方式

鈑金件常採用對接、搭接及角接等接頭形式。施銲前須將板件準確定位、夾緊，使接合面貼合並維持一致的接縫間隙；雷射光點沿接合線移動，形成連續銲道。對於薄板，常利用雷射熱源集中的特性，以高速施銲並減少整體熱輸入；需控制光束焦點、行進速度與輸出功率，使熔深足以形成可靠接合，又不致燒穿板材。

核心觀念

本題考查硬幣的材料選用與雙面圖案的成形原理。硬幣須具備適當的耐磨性、耐腐蝕性、延展性與成形性，並能經受大量流通及反覆撞擊。雙面圖案通常不是分別印製後再黏合，而是由上下兩個模具在壓力下同時壓印於金屬胚片兩面，屬於模鍛性質的精密塑性成形，常稱為硬幣壓印（coining）。

金屬材料

適用材料至少可列出下列兩種：

• 銅鎳合金（Cupronickel）：耐腐蝕、耐磨且具延展性，可呈銀白色，適合製作流通硬幣。
• 鎳黃銅（Nickel brass）：具有良好強度與耐蝕性，外觀呈金黃色，適合用於硬幣或雙金屬硬幣的外環。
• 鋁青銅（Aluminum bronze）：耐磨、耐腐蝕，具有金黃色外觀，適合製作硬幣。
• 鋁合金：質輕、易加工，但耐磨性與耐久性較低，較適合低面額或對重量要求較低的硬幣。

實際選材須兼顧成本、外觀、耐久性及防偽需求，也可採用不同合金製成硬幣的內芯與外環。

解題方法：硬幣的製造與雙面壓印

硬幣圖案的主要成形方法是壓印（coining）。其製程原理是將金屬胚片置於上下模具之間，以高壓使材料產生塑性流動，填入模具表面的凹凸圖文，因此能在同一工序中形成硬幣的正面與反面圖案。

典型製程如下：

核心觀念

粉末冶金是將粉末原料經過成形與燒結，使粉末顆粒彼此結合並形成所需零件的製程。典型流程為：

燒結是在低於主要材料熔點的溫度下加熱，使顆粒接觸處形成連結、孔隙減少，進而提高強度與密度。實際製程會依材料、形狀、尺寸精度與性能要求，調整成形方式、氣氛及後處理。

解題方法：粉末冶金生產製造流程

1. 製粉 將原料製成適合後續成形與燒結的粉末。金屬粉末常用機械粉碎、霧化、還原或電解等方法；陶瓷粉末則常經原料煅燒、破碎、研磨及分級，以取得所需的粒度與純度。

2. 混粉與調配 將不同成分的粉末均勻混合。金屬粉末常加入潤滑劑以降低模壁摩擦、改善脫模，也可能加入合金元素或黏結劑；陶瓷粉末常加入黏結劑、塑化劑、分散劑等，以提升粉末流動性、成形性與生胚強度。

3. 成形 將粉末製成具所需形狀的生胚（尚未燒結的成形體）。常見方法包括：

• 模壓成形：將粉末裝入模穴加壓，適合形狀較簡單、產量大的零件。
• 等靜壓成形：利用流體壓力從各方向壓縮，較容易取得均勻密度，可分為冷等靜壓與熱等靜壓。
• 射出成形：粉末與黏結劑混合後射入模具，適合複雜形狀；成形後須脫脂。
• 陶瓷常見成形法：另有漿料鑄造、擠製、注漿及帶式成形等，適用於薄片、中空或長形製品。

4. 脫脂或預燒 若生胚含有黏結劑、塑化劑等有機添加物，須以溶劑或加熱方式移除，避免後續燒結時產生裂紋、氣孔或污染。並非所有粉末冶金製程都需要獨立脫脂步驟。

5. 燒結 將生胚在適當溫度與氣氛下加熱，使顆粒形成冶金或材料連結，並產生緻密化。燒結溫度通常低於主要材料的熔點；氣氛與升溫、保溫、冷卻條件則依材料需求控制。